Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
 Скачать 5.09 Mb.
|
Введение в нанотехнологииРазвитие человеческой цивилизации связанно с освоением новых материалов. Первые материалы, которые освоил человек – дерево и камень. Орудия труда и охоты, изготовленные из этих материалов, позволили человеку успешно выживать в диком первобытном мире. Затем человек научился выплавлять медь и бронзу. Орудия труда и охоты стали более совершенными, человек стал «хозяином» окружающего мира. Освоение железа позволило человечеству создать и развить промышленность и совершить огромный скачок в своем развитии. Достижения электроники перевернули образ жизни современного человека. Мы уже не мыслим свое существование без компьютера, сотового телефона, телевизора и т.д. Развитие электроники произошло благодаря успешному освоению человеком нового материала – кремния. Придумывая и развивая новые способы получения и обработки материалов, человек создавал новые технологии. Слово «технология» произошло от греческих слов «techne» – искусство, мастерство, умение и «logos» – наука. Можно дать следующее определение: технология – это совокупность средств и методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья или материала в процессе производства продукции. Для того чтобы изготовит каменный топор или компьютер, нужно владеть технологией – набором методов и средств обработки исходных материалов и получения из них конечного продукта. Технология изменяет качество или первоначальное состояние материи в целях получения материального продукта. Задача технологии – превратить знания человека о мире и природе в продукт, необходимый и полезный для человека. В процессе обработки материалов и производства продукции человек осваивает материалы различного геометрического размера. Макроскопическими («macro» – большой) называют объекты, которые человек видет невооруженным глазом. В течение тысячелетий человек использовал в быту и технике макроскопические тела, состоящие из большого числа атомов, будь это каменный топор или авиалайнер. Дерево, кошка, стул и т.д. – это объекты макроскопического мира. Технологии изготовления чашки, топора, автомобиля и т.д. – это технологии макроскопического мира. С изобретением оптического микроскопа человек открыл для себя объекты микромира. Микроскопическими («micro» – маленький) называют объекты, размер которых лежит в диапазоне 1-100 мкм. Напомним, что приставка микро- означает одну миллионную часть чего-либо. Единица длины в 1 мкм равна 10-6 м или 0,0001 см. Биологическая клетка, эритроцит крови и т.д. – это объекты микромира. Получение электронных микросхем, генная модификация – это примеры технологий микромира. Нанометровыми называют объекты размером от 1 до 100 нм. Приставка нано (от греч. nannos – карлик) означает одну миллиардную (10-9) долю какой-либо единицы. Например, нанометр – одна миллиардная доля метра (1 нм = 10-9 м). В качестве пояснений на приведенном ниже рисунке показаны размеры объектов природного и искусственного мира на логарифмической шкале. Атомы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка от 0,1 до 1 нанометра (для сравнения: человеческий волос приблизительно в 60 000 раз толще одной молекулы). На этом уровне стираются границы между такими науками, как физика, химия, биология. Под термином «нанотехнологии» понимают создание и использование материалов, устройств и систем с характерными нанометровыми размерами. Нанотехнологии позволяют работать с объектами атомного и молекулярного масштаба.  Иллюстрация к понятию нанометра: соотношение объектов и их размеров на логарифмической шкале Человек всегда стремится создавать удобные для себя технические устройства. Очень часто удобство связано с уменьшением размеров того или иного устройства. Согласитесь, что плоский телевизор удобнее телевизора кубической формы. Если первые компьютеры занимали несколько комнат, то современный компьютер легко помещается в сумке или кармане одежды. Развитие современных технологий часто сопровождается процессом миниатюризации – уменьшением размеров продукта технологии. Ученым и специалистам, работающим в области электроники, известна закономерность, обнаруженная Г.Э. Муром. Данная закономерность говорит об удвоении вычислительных возможностей микропроцессоров за счет повышения плотности чипов и уменьшения их размеров каждые два года. Этот закон оказался универсальным и уже 40 лет выполняется также в других областях «критических» технологий, таких как молекулярная биология, микромеханика, микросистемная техника. Продолжение этого закона на ближайшее будущее неизбежно приводит электронику от микроструктур к наноструктурам: транзисторы и другие элементы вскоре должны будут состоять из считанного числа атомов. Сегодня нанотехнологии являются продолжением современных микроэлектронных, оптических, биологических и других технологий. В истории развития человечества можно выделить несколько важных исторических этапов, связанных с освоением новых материалов и технологий. Первая научно техническая революция – индустриальная или энергетическая – условно отсчитывается от получения Д. Уаттом в 1769 году основного патента на усовершенствованный паровой двигатель, который резко увеличил производительность труда на всех видах производства, в сельском хозяйстве и на транспорте. Научно-технический переворот произошел благодаря технологиям изготовления продукции из железа. Продукты этой технологии связаны с привычным нам макромиром. В 60-х годах XX века, с началом развития микроэлектроники, началась вторая (информационная) научно-техническая революция. Автомобили и другие средства передвижения, станки и приборы оставались макроскопическими телами (так как единицей масштаба служат размеры человеческого тела), но управляющие элементы, устройства для передачи и приема информации становились все сложнее, а составляющие их единицы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления) – все миниатюрнее. Вторая научно-техническая революция связана с кремниевыми технологиями, реализованными на микроуровне. Ученые предполагают, что ближайшие десятилетия станут эпохой нанотехнологий – третьей научно-технической революцией. Как заявил известный американский физик Э. Теллер: «Тот, кто раньше других овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере XXI века». Термин «нанотехнология» является русским эквивалентом английского словосочетания «nanotechnology». Нанотехнологии имеют дело с материалами и объектами размером менее 100 нм хотя бы в одном из пространственных измерений. Однако размерный фактор или привязка к масштабам в нанометры – не самое главное в нанотехнологиях. Самым важным и определяющим является наличие новых квантовых свойств, связанных с уменьшением размеров объекта до наноразмерного. |